地磅稱重儀表基于 PLC 在礦熱爐自動(dòng)配料系統(tǒng)中的應(yīng)用

針對(duì)礦熱爐的配料環(huán)節(jié) ，介紹了一種全自動(dòng)配料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 ，該系統(tǒng)以 PLC 為主站 ，地磅稱重儀表為從站，使用 Profibus DP 總線及 DP-Modbus 網(wǎng)關(guān)進(jìn)行主從通訊。 上位機(jī)使用 WINCC 軟件作為人機(jī)界面，系統(tǒng)有較高的效率，穩(wěn)定可靠。

前言

配料是鐵合金生產(chǎn)中的重要組成部分,在生產(chǎn)過程中,機(jī)械將各種原料嚴(yán)格按照比例均勻混合。目前工廠一般采用兩種方法,一種是人工稱重,然后將稱好的物料一起放入輸送皮帶或小車上進(jìn)行上料,經(jīng)過爐頂過渡料倉(cāng),最后進(jìn)入礦熱爐;另外一種是自動(dòng)稱重,自動(dòng)上料,人工干預(yù)少。由于原料里面有很多粉塵,人工配料時(shí)容易吸入而導(dǎo)致職業(yè)病。增加了生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)和勞動(dòng)力成本,同時(shí)每日需要配料批次較多,人工容易導(dǎo)致失誤,最終造成產(chǎn)品質(zhì)量問題,增加了管理成本。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率,需要采用準(zhǔn)確可靠的自動(dòng)配料系統(tǒng)。

1自動(dòng)配料系統(tǒng)

自動(dòng)配料系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)。以工控機(jī)為上位主機(jī),PLC、稱重儀表為下位從機(jī),上位機(jī)處于主導(dǎo)地位,實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)從機(jī)的通信管理和控制。工控機(jī)通過CP5621卡與PLC間通過Profibus DP總線相連,通過DP-Modbus網(wǎng)關(guān)與稱重儀表相連。

1.1控制系統(tǒng)構(gòu)成(見圖1)

整個(gè)全自動(dòng)配料混合系統(tǒng)由工控機(jī)、PLC、工業(yè)稱重儀表、變頻器、振動(dòng)電機(jī)、混料機(jī)、傳感器、傳送帶等組成。每臺(tái)礦熱爐用一個(gè)配料站,根據(jù)日料倉(cāng)的個(gè)數(shù),下設(shè)相應(yīng)稱重料斗,每個(gè)稱重料斗對(duì)應(yīng)一塊稱重儀表。每個(gè)日料倉(cāng)下設(shè)一個(gè)稱重料斗， 由一臺(tái)小皮帶機(jī)將日料倉(cāng)內(nèi)的料向稱重料斗內(nèi)喂料， 達(dá)到稱重儀表所設(shè)定的重量時(shí)， 自動(dòng)停止喂料， 并發(fā)出放料信號(hào)，此信號(hào)進(jìn)入 PLC 系統(tǒng)內(nèi)，由 PLC 控制稱重料斗下小皮帶機(jī)放料， 喂料小皮帶機(jī)由稱重儀表控制啟停，放料小皮帶機(jī)由 PLC 控制啟停。

1.2稱重儀表的組成及工作原理

通常稱重儀表由稱重傳感器（WZ）、稱重變送器（WT）、稱重控制器（WIC）組成。

稱重傳感器由金屬?gòu)椥栽倔w和與其相連的電阻應(yīng)變片構(gòu)成，4 只電阻應(yīng)變片組成一個(gè)惠斯通電橋。 被測(cè)物的重力 G 使彈性元件產(chǎn)生形變 ε，這一形變引起電阻應(yīng)變片的延伸，壓縮形變 ε。 根據(jù)虎克定律，彈性形變與外力成正比：ε∝G，根據(jù)電阻應(yīng)變效應(yīng)理論：電阻應(yīng)變片的相對(duì)變化（△R）/R 與形變 ε 成正比：（△R）/R=kε， 式中，k 為電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)。因此 （△R）/R∝G 惠斯通電橋的不平衡電壓 Um= （△R/R）Uref，所以 Um∝G 只要測(cè)量 Um，經(jīng)過放大 、變送并經(jīng)稱重控制器處理后便可得到被測(cè)物的重量 G。

稱重配料系統(tǒng)的基本原理是： 首先根據(jù)配制比例設(shè)定各物料的加量值，由稱重控制器或 PLC 順序執(zhí)行各種物料的加料， 通過稱重儀表檢測(cè)此物料的加入量，直到加量達(dá)到設(shè)定值時(shí)關(guān)閉其進(jìn)料閥門，完

成此物料的加量后進(jìn)人下一種物料的加入過程，直到所有的物料按照設(shè)定加量值加量完畢結(jié)束配料。

1.3稱重配料系統(tǒng)的特點(diǎn)

經(jīng)過實(shí)踐， 利用稱重儀表實(shí)現(xiàn)配料自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)如下。

1.3.1實(shí)現(xiàn)質(zhì)量配比

由于稱重儀表測(cè)量的是物料的重量 G，因?yàn)?/span> G= mg，故 G1：G2：…：Gn=m1：m2：…mn，所以稱重配料系統(tǒng)可直接實(shí)現(xiàn)各物料的質(zhì)量比例配制。 化工生產(chǎn)中質(zhì)量計(jì)量比體積計(jì)量更優(yōu)越。

1.3.2 同一儀表差值計(jì)量，克服系統(tǒng)誤差

所有物料的加量都是通過同一臺(tái)稱重儀表進(jìn)行檢測(cè)， 并且各物料的加量控制是靠稱量值的前后差值計(jì)算來實(shí)現(xiàn)。 即使稱重儀表的零點(diǎn)產(chǎn)生漂移，其用差值表示的加量仍是準(zhǔn)確的，也就保證了配制比例準(zhǔn)確。

當(dāng)儀表的零點(diǎn)和量程同時(shí)發(fā)生變化后， 能否嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的配制比例，討論如下：設(shè)稱重儀表輸入輸出的關(guān)系為 Y=kx，m1，m2 兩種物料之間的配制比例為 H。

式（1）中，G2、G1 分別為 m2、m1 的加量。 當(dāng)儀表零點(diǎn)量程變化后輸入輸出的關(guān)系為：Y=kx+△，仍按原設(shè)定值進(jìn)行加料控制，則：

即使儀表的零點(diǎn)、量程同時(shí)改變后，稱重系統(tǒng)仍可實(shí)現(xiàn) m1、m2 之間準(zhǔn)確的配制比例， 從而保證了生產(chǎn)的安全性。

1.3.3系統(tǒng)具有易擴(kuò)展性

稱重配料系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)液體物料的配制，還可應(yīng)用于固、液物料的混合配制，以及向外供料的計(jì)量和控制，所有這些功能均只需增加相應(yīng)的閥門，增添相應(yīng)的控制程序便可以實(shí)現(xiàn)。

1.3.4 系統(tǒng)的可靠性高，精度穩(wěn)定且調(diào)校方便

稱重傳感器是通過電阻應(yīng)變片電阻的微小變化來測(cè)量重力的，幾乎沒有機(jī)械行程，并且靈敏元件本身封裝在彈性元件內(nèi)部屬于全密封式結(jié)構(gòu)， 不與工藝介質(zhì)接觸，不受料液結(jié)垢、結(jié)晶、腐蝕等影響，精度能夠保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。 稱重系統(tǒng)的調(diào)校也很方便，只需用標(biāo)準(zhǔn)砝碼或定量的水便可對(duì)儀表進(jìn)行校驗(yàn)。

1.4系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1.4.1上位機(jī)

上位機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn) 4U 機(jī)箱的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，工控機(jī)抗干擾以及防塵能力強(qiáng)， 在惡劣環(huán)境下能夠正常工作。 上位機(jī)硬件選用雙核中央處理器，大容量存儲(chǔ)，以及大屏幕的液晶顯示器。

上位機(jī)安裝 Windows XP 系統(tǒng)、Siemens STEP 7 V5.4 編程軟件以及 Siemens WINCC 人機(jī)界面軟件，WINCC 根據(jù)系統(tǒng)配置制作上位機(jī)畫面。

1.4.2PLC 系統(tǒng)

PLC 選用 S7-300 系列PLC， 該系列 PLC結(jié)構(gòu)緊湊，堅(jiān)固耐用，經(jīng)濟(jì)可靠。

CPU 選用 315-2DP， 該 CPU 有兩個(gè)通訊接口：MPI 和 DP，由于 DP 接口有較高的通訊速率，故使用Profibus DP 總線進(jìn)行通訊。

1.4.3稱重儀表

稱重儀表選用帶 Modbus 的工業(yè)稱重儀表，PLC通過 Modbus 通訊能夠讀出儀表的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)料重，并且可以將上位機(jī)的目標(biāo)重量寫入儀表，儀表按照目標(biāo)重量進(jìn)行稱重。

2.通訊程序的設(shè)計(jì)

2.1上位機(jī)和 PLC 間的通訊

組態(tài)軟件一般都內(nèi)置了 PLC 的通訊驅(qū)動(dòng)，在該驅(qū)動(dòng)中組態(tài)通訊參數(shù)，再建立相應(yīng)的變量即可。

2.2 PLC 與稱重儀表的通訊

稱重儀表一般都內(nèi)置 Modbus 通訊協(xié)議，只需要增加 Profibus DP-Modbus 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)即可實(shí)現(xiàn) PLC 與稱重儀表的通訊， 鑒于稱重儀表比較多，為了減小輪詢時(shí)間間隔，每 4~5 塊稱重儀表配備了一塊網(wǎng)關(guān)，減小了通訊時(shí)間。

3.過程應(yīng)用

配料過程是由稱重儀表實(shí)現(xiàn)， 稱重儀表與 PLC之間使用通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 (Modbus RTU)，實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，如配比等。 PLC 記錄每次配料偏差，自動(dòng)計(jì)算出下次配料定值，寫入到稱重儀表內(nèi)。

上位機(jī)放置在配料控制室內(nèi)， PLC 與工控機(jī)之間的通訊使用 DP 總線通訊。 能在上位機(jī)完成配料配比以及報(bào)表的記錄打印、各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視等。

在爐頂過渡料倉(cāng)（每個(gè)車間一個(gè)過渡料倉(cāng)）內(nèi)加雷達(dá)料位計(jì)，信號(hào)進(jìn)入配料站 PLC，當(dāng)過渡料倉(cāng)料位低于設(shè)定值后，啟動(dòng)配料過程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配料。

配料站附近設(shè)控制室，內(nèi)放配料 PLC 柜、動(dòng)力柜、操作臺(tái)。 通過操控操作臺(tái)上各按鈕，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)上料（ 不經(jīng)過 PLC）， 這樣系統(tǒng)就有自動(dòng)、 手動(dòng)（ 經(jīng)PLC）、純手動(dòng)（不經(jīng) PLC）三種控制。

在 PLC 進(jìn)行控制的過程中，上位機(jī)使用上位機(jī)連接命令監(jiān)視下位機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容，實(shí)時(shí)讀取 PLC 的內(nèi)部狀態(tài)以及稱重儀表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在上位機(jī)上顯示。 總體上講，系統(tǒng)具有如下功能：①

全自動(dòng)配料，在設(shè)定好配方之后，系統(tǒng)自動(dòng)按照配方稱重配料，無需操作人員干預(yù)；②具有報(bào)表功能，可以產(chǎn)生日?qǐng)?bào)表、實(shí)時(shí)報(bào)表和月報(bào)表、年報(bào)表等；③動(dòng)態(tài)增加和修改報(bào)表，系統(tǒng)通過設(shè)定權(quán)限，賦予技術(shù)人員或操作人員修改、增加配方的權(quán)利，同時(shí)記錄該次修改的日期和操作人員編號(hào)；④斷電恢復(fù)功能，系統(tǒng)能夠在突然斷電的情況下，恢復(fù)斷電前的測(cè)量記錄；⑤局域網(wǎng)共享功能，主機(jī)在局域網(wǎng)內(nèi)可以共享數(shù)據(jù)，方便車間主管了解工程進(jìn)度和其他情況。

3.1 上位工控機(jī)提供人機(jī)交互界面，完成控制信息輸入、數(shù)據(jù)管理、進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和報(bào)表等功能，它的主要工作如下：

工控主機(jī)首先根據(jù)操作人員的指令， 讀取某個(gè)編號(hào)的配方，然后，根據(jù)配方中配料的比例及先后順序，向 PLC 發(fā)出開始配料的指令，使得 PLC 能夠起動(dòng)特定的變頻器。 在配料過程中，工控主機(jī)以輪詢的方式，一方面實(shí)時(shí)讀取 PLC 的狀態(tài)字，了解 PLC 及 PLC 下級(jí)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)； 另一方面實(shí)時(shí)讀取安裝在配料機(jī)上的稱重儀表的稱重?cái)?shù)據(jù)，按照配料策略，當(dāng)稱重接近配方中的設(shè)定值時(shí)，主機(jī)向 PLC 發(fā)出停止本次配料的指令。

當(dāng)一個(gè)配方上的所有材料都配完后， 整個(gè)配料過程暫停，等待操作人員的指令。 系統(tǒng)運(yùn)行過程中，PLC 與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信， 從而保證界面上顯示的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)的一致性， 操作人員在上位機(jī)上發(fā)出的操作命令和設(shè)定參數(shù)都可以實(shí)時(shí)送到 PLC。 PLC 的主要工作有：①接收上位機(jī)發(fā)送來的命令，通過變頻器控制振動(dòng)電機(jī)的起、停和快慢；②將變頻器的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)寫入內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)，供工控機(jī)讀取；③將自身的各種狀態(tài)以狀態(tài)字的形式準(zhǔn)備好， 供工控機(jī)實(shí)時(shí)讀取。

3.2 控制策略及配料過程通過對(duì)配料過程的特點(diǎn)進(jìn)行分析，配料過程具有如下特點(diǎn)。

（1）被控對(duì)象是單向的不可逆系統(tǒng)。 原料沒有辦法從配料機(jī)中重新回到傳送帶上。

（2）具有明顯的時(shí)滯性。 當(dāng)配料達(dá)到設(shè)定值時(shí)，PLC 控制電機(jī)停止傳送原料， 這時(shí)傳送帶上具有部分原料無法回收，所以系統(tǒng)具有明顯的時(shí)滯性。

（3）受控特性是開關(guān)性的。 系統(tǒng)的起、停控制等都是開關(guān)量。

（4）配料系統(tǒng)在正常工作區(qū)內(nèi)是線性的。

因此，考慮采用快速、慢速、提前發(fā)出停止加料指令等控制策略，同時(shí)利用 PLC 的互鎖技術(shù)確保配料的順利進(jìn)行。 系統(tǒng)起動(dòng)后，工控機(jī)向 PLC 發(fā)出開始加料信號(hào)，PLC 控制變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行快速加料，同時(shí)，工控主機(jī)通過串口持續(xù)不斷地讀取稱重儀表的數(shù)據(jù)，當(dāng)重量值接近設(shè)定值時(shí)，工控主機(jī)向 PLC發(fā)出停止加料的控制指令，此時(shí)，PLC 控制變頻器進(jìn)行慢加，通過事先估計(jì)出傳送機(jī)構(gòu)上原料的殘余，設(shè)定值和實(shí)際加料的差值和傳送機(jī)構(gòu)上原料的殘余相當(dāng)時(shí)，PLC 真正發(fā)出停止指令， 該指令由變頻器執(zhí)行，從而控制電機(jī)停機(jī)，停機(jī)后傳送機(jī)構(gòu)上的原料無殘余，配料精度符合要求，如圖 2 所示。

（5）配方的增加與修改。

（6）配料故障輔助報(bào)警等其他功能。

4.結(jié)語

本系統(tǒng)通過工控機(jī)、PLC 和稱重儀表的協(xié)調(diào)工作，完成了所需自動(dòng)配料任務(wù)，在實(shí)際應(yīng)用中表明系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、可靠，人機(jī)界面友善美觀，操作方便.